Eigenschaften und Verwendung von Verbundwerkstoffen

Eigenschaften und Verwendung von Verbundwerkstoffen Übung

• Nenne wünschenswerte Eigenschaften von Verbundwerkstoffen.

  Tipps

  Die Dichte eines Stoffes ist als die Masse in Gramm pro Kubikzentimeter des Stoffes definiert.

  Lösung

  Verbundwerkstoffe werden aus zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt: Verstärkungsfasern werden in eine Kunststoffmatrix eingebettet. Beide Materialien bestimmen die Eigenschaften des Verbundmaterials. Daher haben Verbundmaterialien gegenüber einfachen Kunststoffen deutlich bessere Materialeigenschaften.

  Ähnlich wie Stahl sind sie trotz einer sehr hohen Zugfestigkeit sehr elastisch. Das bedeutet, an einer Platte aus Verbundmaterial kann man in Längsrichtung sehr feste ziehen, ohne dass das Material bricht. Gleichzeitig ist die Platte selbst biegsam. Wie Stahl kann es, zum Beispiel in Form von T-Trägern, sehr steif sein. Das ist wichtig, damit sich zum Beispiel Flugzeugflügel nicht unter Belastung verbiegen.

  Verbundwerkstoffe haben gegenüber Stahl einige gewichtige Vorteile. Der Wichtigste ist die geringe Dichte. Diese führt dazu, dass Bauteile und Verbundwerkstoffen im Vergleich zu den gleichen Bauteilen aus Stahl wesentlich leichter sind. Außerdem sind Verbundwerkstoffe sehr beständig, das heißt, weder oxidieren sie, noch sind sie empfindlich gegenüber Säuren, Basen oder vielen anderen Chemikalien.

• Fasse zusammen, aus welchen Materialien Verbundwerkstoffe aufgebaut sind.

  Tipps

  Als Duroplaste und Thermoplaste werden Kunststoffe mit speziellen Eigenschaften bezeichnet.

  Lösung

  Das Prinzip des Verbundwerkstoffs findet vielzählige Anwendungen in Natur und Technik. Durch die Kombination zweier unterschiedlicher Materialien lassen sich die Eigenschaften des Verbundmaterials verbessern.
  So ist zum Beispiel Holz aus zugfesten Cellulose-Fasern aufgebaut, die in eine Matrix aus druckstabilen Lignin eingelagert sind. Bei den Knochen der Wirbeltiere verleiht ein Gerüst aus Calciumphosphat dem Material Steifigkeit und Stabilität, das in einer Matrix aus Kollagen, einem Protein, eingebettet ist.
  Das Prinzip empfindet der Mensch in vielen künstlichen, technisch genutzten Materialien nach. Mit den Faser-Kunststoff-Verbundmaterialien habt ihr ein Beispiel kennengelernt. Ein weiteres Beispiel ist Stahlbeton - hier sind Stahlfasern in eine Matrix aus Beton eingebettet. Bettet man Fasern in keramische Werkstoffe ein, so erhält man die sehr festen und hitzebeständigen keramischen Faserverbundwerkstoffe.

• Prüfe, welche Bauteile sinnvoll aus Verbundwerkstoffen hergestellt werden können.

  Tipps

  In Triebwerken wird Kerosin bei hohen Temperaturen verbrannt.

  Stahlteile haben eine höhere Abriebfestigkeit als Bauteile aus Verbundwerkstoffen.

  Lösung

  Verbundwerkstoffe können überall dort eingesetzt werden, wo leichte, tragfähige Bauteile gefragt sind. Fahrradrahmen, Rotoren von Windrädern oder Tragflächen von Flugzeugen sind gute Beispiele.

  Ungeeignet sind Bauteile aus Faser-Verbundwerkstoffen zum Beispiel, wenn sehr hohe Temperaturen vorherrschen. Die Kunststoffmatrix wird selbst bei einer sehr teuren Teflon-Matrix bei Temperaturen über 350°C zerstört. Für Flugzeugturbinen mit Betriebstemperaturen von etwa 1300°C sind Verbundwerkstoffe aus Kunststoff daher ungeeignet.

  Auch in Sachen Abriebfestigkeit sind Metallbauteile im Vorteil. Bei Fahrradketten reibt die Kette unter Druck über die Zahnräder, daher ist hier der Abrieb sehr groß. Eine verschleißarme Fahrradkette aus Verbundwerkstoff wäre unverhältnismäßig teurer als eine Stahl-Kette, daher wird dieses Bauteil nicht aus Verbundwerkstoffen gefertigt.

• Analysiere die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen.

  Tipps

  Geringe Zugfestigkeit bedeutet, dass das Material unter Zugbelastung bricht. Dies ist immer abhängig von der Zugrichtung!

  Lösung

  Die Richtung, in der die Fasern in die Matrix eingelagert sind, entscheidet über die mechanischen Eigenschaften des Faser-Verbundwerkstoffs. Die Fasern verleihen dem Material Zugfestigkeit, allerdings nur in Richtung der Fasern. Da die Fasern aus einem steifen Material bestehen, sind sie empfindlich gegenüber Biegebelastungen, also Belastungen quer zur Faserrichtung. In dieser Richtung brechen sie bei geringer Belastung.
  Es ist die Aufgabe des Matrixmaterials, die Fasern vor diesen Biegebelastungen zu schützen. Es nimmt anliegende Kräfte auf und verteilt die Kraft auf alle Fasern. Auch bei Zugbelastung wird die anliegende Kraft auf viele Faserbündel verteilt.

  Fasern lassen sich jedoch auch in mehr als nur einer Richtung anordnen. In Platten aus Faser-Verbundwerkstoff werden die Fasern in einer Ebene angeordnet, daher sind die Platten in der Ebene in alle Richtungen sehr stabil bei Zugbelastungen. Durch Verweben der Fasern in dreidimensionale Strukturen lassen sich räumliche Werkstücke herstellen, die im Raum in die gewünschte Richtung hohe Zugbelastungen aushalten.

• Nenne die Aufgaben des Verstärkungsmaterials.

  Tipps

  Die Verstärkungsfasern haben meist eine höhere Dichte als das Matrix-Material.

  Lösung

  Die Verstärkungsfasern bestehen, wie der Name schon sagt, aus langen Kunststofffasern. Diese sind häufig wie bei Seilen in Bündeln angeordnet, dies erhöht die Festigkeit. Die Fasern funktionieren auch ähnlich wie Seile: In Richtung der Fasern sind sie sehr stabil und halten hohe Zugkräfte aus. In andere Richtungen allerdings sind die Fasern wenig stabil und sehr flexibel. Es ist die Aufgabe des Matrixmaterials, die Fasern zu stützen und in der gewünschten Position zu halten.

  Die Aufgabe des Verstärkungsmaterial ist es also, in Richtung der Fasern dem Material eine hohe Zugfestigkeit zu verleihen. Das Matrixmaterial allein könnte nicht so hohe Zugkräfte aufnehmen, ohne dabei zu zerreißen. Ordnet man die Fasern in unterschiedliche Richtungen an, geben sie dem Werkstoff Zugfestigkeit in alle Raumrichtungen. Dadurch lässt sich ein sehr steifer Werkstoff herstellen.

• Ermittle Einsatzmöglichkeiten von Verbundwerstoffen mit Elastomeren als Matrixmaterial.

  Tipps

  Elastomere sind weich und lassen sich unter geringem Kraftaufwand verformen!

  Lösung

  Elastomere können hohe Kräfte aufnehmen, ohne zu reißen, allerdings dehnt sich das Material dabei sehr. Daher sind Elastomere als Verstärkungsmaterial ungeeignet. Sie dehnen sich unter Zugbelastung stärker als das Matrixmaterial, dieses hält der Zugbelastung daher nicht stand und reißt.
  Auch als Matrixmaterial sind Elastomere für die meisten Einsatzzwecke ungeeignet. Sie schützen die Verstärkungsfasern nicht ausreichend vor Biege- und Druckbelastungen, da sich das Matrixmaterial unter Belastung verformen würde. Unter Zugbelastung würde die Kraft auch nicht auf alle Fasern verteilt werden, da das elastische Material die Kraft nicht weiterleiten kann.

  Eine Ausnahme stellen Keil- und Zahnriemen dar. Diese sind ringförmig, das Fasermaterial verläuft also im Kreis. Dadurch können die Textil- oder Stahlfasern hohe Ringkräfte aufnehmen. Die Elastomer-Matrix aus Gummi wird dabei kaum gedehnt, sie schützt die Fasern vor Umwelteinflüssen. Außerdem hat sie eine höhere Reibung als das Fasermaterial, sie klebt geradezu an den Rollen, über die der Keilriemen läuft. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Keilriemen.